Senin, 29 April 2013
PIRANTI SEMIKONDUKTOR ,PERKEMBANGAN SEMIKONDUKTOR DAN KEGUNAANNYA UNTUK TEKNOLOGI
A.
Tentang Semikonduktor
Perbedaan sifat pada zat padat (misal:
konduktor, isolator, semikonduktor atau superkonduktor) disebabkan oleh:
perbedaan gaya ikat diantara atom-atom, ion-ion, atau molekul-molekul tersebut.
Semua ikatan dalam bahan padat melibatkan gaya listrik, dan perbedaan utama
diantara ikatan tersebut tergantung pada jumlah elektron terluar. Berdasarkan
struktur partikel (atom, ion, atau molekul) penyusunnya, bahan padat dibagi
menjadi dua jenis yaitu bahan padat kristal dan bahan padat amorf.
Bahan
padat kristal adalah bahan padat yang struktur partikel penyusunnya memiliki
keteraturan panjang dan berulang secara periodik. Bahan padat amorf adalah
bahan padat yang struktur partikel penyusunnya memiliki keteraturan yang
pendek. Khusus untuk bahan semikonduktor ada dua jenis, yakni yang berstruktur
kristal (misal: Silicon, Germanium, Gallium Arsenid, dsb.). dan berstruktur
amorf (misal: Amorphous silicon)).
Macam
– macam semikonduktor
·
Semikonduktor Intrinsik (murni)
Semikonduktor
intrinsik adalah semikonduktor yang belum mengalami pengotoran atau penyisipan
oleh atom akseptor atau atom donor. Pada suhu tinggi elektron pada pita valensi
dapat berpindah menuju pita konduksi, dengan menciptakan hole pada pita
valensi. Dan yang berperan dalam penghantaran listrik pada semikonduktor adalah
electron dan hole, inilah perbedaan prinsip antara bahan konduktor dengan bahan
semikonduktor
Silikon
dan germanium merupakan dua jenis semikonduktor yang sangat penting dalam
elektronika. Keduanya terletak pada
kolom empat dalam tabel periodik dan mempunyai elektron valensi empat. Struktur
kristal silikon dan germanium berbentuk tetrahedral dengan setiap atom memakai
bersama sebuah elektron valensi dengan atom-atom tetangganya.
·
Semikonduktor Ekstrinsik (Tak Murni)
Semikonduktor ekstrinsik adalah semikonduktor yang telah mengalami
pengotoran atau pinyisipan oleh atom akseptor atau atom donor. Pengotoran pada
umumnya dilakukan dalam rangka untuk meningkatkan konduktivitas listriknya.
Tidak semua atom dapat digunakan sebagai atom akseptor atau atom donor, ada
beberapa persyaratan: (1) mempunyai ukuran atom yang hampir sama dengan atom
murni (semikonduktor intrinsik yang akan didoping), sehingga dapat masuk dan
tidak merusak struktur kristal atom murni, (2) memiliki jumlah electron valensi
berbeda satu dengan atom murni. Berdasarkan jumlah electron valensi atom
pengotor ini, maka atom pengotor dibedakan menjadi dua, yaitu: atom donor dan
atom akseptor. Dan berkaitan dengan hal tersebut semikonduktor ekstrinsik juga
dibedakan menjadi dua, yakni: semikonduktor tipe-n dan semikonduktor tipe-p.
·
Semikonduktor tipe-n
Semikonduktor
tipe-n dapat dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor pentavalen
(antimony, phosphorus atau arsenic) pada silikon murni. Atom-atom pengotor
(dopan) ini mempunyai lima elektron valensi sehingga secara efektif
memilikimuatan sebesar +5q. Saat sebuah atom pentavalen menempati posisi atom
silicon dalam kisi kristal, hanya empat elektron valensi yang dapat membentuk
ikatan kovalen lengkap, dan tersisa sebuah elektron yang tidak berpasangan
(lihat Gambar 4). Dengan adanya energi thermal yang kecil saja, sisa elektron
ini akan menjadi electron bebas dan siap menjadi pembawa muatan dalam proses
hantaran listrik. Material yang dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut
semikonduktor tipe-n karena menghasilkan pembawa muatan negatif dari kristal
yang netral. Karena atom pengotor memberikan elektron, maka atom pengotor ini
disebut sebagai atom donor. Secara skematik semikonduktor tipe-n digambarkan
seperti terlihat pada Gambar 4.
·
Semikonduktor tipe-p
Dengan
cara yang sama seperti pada semikonduktor tipe-n, semikonduktor tipe-p dapat
dibuat dengan menambahkan sejumlah kecif atom pengotor trivalen (aluminium,
boron, galium atau indium) pada semikonduktor murni, misalnya silikon murni.
Atom-atom pengotor (dopan) ini mempunyai tiga elektron valensi sehingga secara
efektif hanya dapat membentuk tiga ikatan kovalen. Saat sebuah atom trivalen
menempati posisi atom silikon dalam kisi kristal, terbentuk tigaikatan kovalen
lengkap, dan tersisa sebuah muatan positif dari atom silikon yang tidak
berpasangan (lihat Gambar 5) yang disebut lubang (hole). Material yang
dihasilkan dari proses pengotoran ini disebut semikonduktor tipe-p karena
menghasilkan pembawa muatan negatif pada kristal yang netral. Karena atom
pengotor menerima elektron, maka atom pengotor ini disebut sebagai atom aseptor
(acceptor). Secara skematik semikonduktor tipe-p digambarkan seperti terlihat
pada Gambar 5.
B.
Perkembangan Semikonduktor dan
Kegunaan nya Untuk Teknologi
Keunikan semikonduktor dibanding bahan lainnya ialah semikonduktor
bisa diubah konduktivitasnya (konduktivitas adalah kemampuan bahan untuk
membawa arus listrik) dengan cara sengaja memasukkan elemen lain ke dalam
kristal semikonduktor. Teknik ini disebut doping. Kristal silikon yang 100%
murni mempunyai muatan yang netral karena semua elektron valensi dari silikon
(keseluruhannya ada 4 buah) berpasangan dengan elektron valensi atom silikon
lainnya. Oleh karena kristal silikon murni mempunyai muatan netral, maka supaya
dapat memiliki muatan atau menghantarkan arus listrik, kristal silikon harus
dibuat tidak murni dengan cara memasukkan atom-atom dari elemen lainnya. Bila
di-doping dengan atom golongan III seperti boron, kristal silikon mempunyai
total muatan yang positif dan jika di-doping oleh atom golongan V seperti
fosfor, maka total muatannya negatif. Kristal silikon yang total muatannya
positif disebut tipe p, dan yang negatif disebut tipe n.
Kemampuan menguasai teknologi tinggi adalah merupakan
syarat mutlak bagi suatu negara untuk memasuki negara industri baru. Salah satu
bidang teknologi tinggi yang sangat mempengaruhi peradaban manusia di abad ini
adalah teknologi semikonduktor dan mikroelektronika. Bidang ini biasanya
dianalogikan dengan tiga kata bahasa Inggris yang mempengaruhi kehidupan modern
yaitu Computer, Component dan communication. Untuk komputer, topik utama dalam
bidang ini adalah bagaimana membuat komputer menjadi lebih cepat, lebih ramping
dengan fungsi yang lebih kompleks dan komsumsi daya yang makin kecil. Untuk
tujuan tersebut, terdapat dua pendekatan yang saling mendukung yakni dari segi
hardware dan software. Dari segi hardware adalah bagaimana membuat transistor
sebagai komponen aktif terkecil menjadi semakin kecil dan berkecepatan tinggi.
Dari segi software adalah bagaimana mendesain rangkaian terpadu (integrated
circuit) yang makin kompleks menjadi semakin ramping dan kompak. Tulisan di
bawah ini membahas mengenai pendekatan dari segi hardware yakni perkembangan
dari divais-divais elektron (elektron devices) saat ini dan yang akan datang
sebagai komponen dasar peralatan semikonduktor/elektronika, dengan tinjauan
dari sudut material semikonduktor itu sendiri.
·
Teknologi Silikon
Pembahasan tentang divais semikonduktor tentunya tidak
bisa lepas dari material semikonduktor itu sendiri sebagai bahan dasar
pembuatan divais tersebut. Silikon (Si) dengan persediaan yang berlimpah di
bumi dan dengan teknologi pembuatan kristalnya yang sudah mapan, telah menjadi
pilihan dalam teknologi semikonduktor. Silikon very large scale integration
(VLSI) telah membuka era baru dalam dunia elektronika di abad ke-20 ini.
Kebutuhan akan kecepatan yang lebih tinggi dan unjuk kerja yang lebih baik dari
komputer telah mendorong teknologi silikon VLSI ke silikon ultra high scale
integration (ULSI). Saat ini metaloxide semiconductor field effect transistor
(MOSFET) masih dominan sebagai divais dasar teknologi integrated circuit (IC).
Dimensi dari MOSFET menjadi semakin kecil dan akan menjadi sekitar 0,1 mikron
untuk ukuran giga-bit dynamic random acces memories (DRAMs). Beberapa masalah
yang timbul dalam usaha memperkecil dimensi dari MOSFET antara lain efek short
channel dan hot carrier yang akan mengurangi unjuk kerja dari transistor itu
sendiri.
Walaupun sudah banyak kemajuan yang dicapai,
pertanyaan yang selalu muncul adalah sampai seberapa jauh limit pengecilan yang
dapat dilakukan ditinjau dari segi proses produksi, sifat fisika dari divais
itu sendiri dan interkoneksinya. Banyak masalah dari segi fabrikasi yang dapat
menjadi penghambat. Sebagai salah satu contoh keterbatasan dari proses produksi
adalah teknik lithography yaitu teknik yang diperlukan untuk merealisasikan
desain sirkuit ke lempengan (waver) silikon dalam proses fabrikasi IC. Dengan
menggunakan cahaya sebagai sumber berkas, dimensi dari lithography dengan
sendirinya akan dibatasi oleh panjang gelombang dari cahaya itu sendiri. Oleh
sebab itu dikembangkan teknik lithography yang lain menggunakan sinar-X dan
berkas elektron. Dengan menggunakan kedua teknik ini tidak terlalu ekonomis
untuk digunakan pada proses produksi IC secara massal. Dari uraian di atas,
terlihat masih adanya beberapa masalah yang akan timbul dalam proses fabrikasi
IC di masa yang akan datang.
·
Teknologi berbasis silikon
Seperti diketahui, ditinjau dari struktur
elektronikanya, material semikonduktor dapat dibedakan atas dua jenis yaitu
yang memiliki celah pita energi langsung (direct bandgap) dan celah pita energi
tidak langsung (indirect bandgap). Silikon adalah material dengan celah energi
yang tidak langsung, di mana nilai minimum dari pita konduksi dan nilai
maksimum dari pita valensi tidak bertemu pada satu harga momentum yang sama.
Ini berarti agar terjadi eksitasi dan rekombinasi dari membawa muatan
diperlukan perubahan yang besar pada nilai momentumnya. Dengan kata lain,
silikon sulit memancarkan cahaya. Sifat ini menyebabkan silikon tidak layak
digunakan sebagai piranti fotonik/optoelektronik, sehingga tertutup kemungkinan
misalnya membuat IC yang di dalamnya terkandung detektor optoelektronik atau
suatu sumber pemamcar cahaya dengan hanya menggunakan material silikon saja. Beberapa
usaha telah dilakukan untuk mengatasi hal ini antara lain dengan mengembangkan
apa yang dikenal sebagai bandgap engineering. Salah satu contohnya adalah
menumbuhkan struktur material SiGe/Si straitned layer superlattice. Parameter
mekanik strain yang timbul karena perbedaan konstanta kisi kristal antara
lapisan SiGe dan Si tersebut akan mempengaruhi struktur elektronik dari
material di atas sehingga muncul efek brillioun-zone folding yang mengubah
struktur pitanya menyerupai material dengan celah energi langsung (direct
bandgap). Kombinasi dari kedua material tersebut memungkinkan terjadinya
pemancaran dan penyerapan cahaya. Cara lain yang juga popular untuk memperbaiki
sifat optik dari silikon adalah apa yang dinamakan material silikon porous. Dengan
pelarutan secara elektrokimia, pada lempeng silikon dapat berbentuk
lubang-lubang yang berukuran puluhan angstrom. Dengan bantuan sinar laser, akan
dapat dilihat dengan mata telanjang pemancaran cahaya dari material silikon
tersebut. Fenomena ini dapat dijelaskan dengan menggunakan model
two-dimensional quantum confinement. Kelemahan dari teknik ini adalah sifat
reproducibility-nya yang rendah. Kemajuan-kemajuan di atas membuka era baru
bagi material silikon dan panduannya untuk diaplikasikan pada divais
optoelektronika.
·
Teknologi GaAs
Salah satu hambatan dari teknologi silikon adalah
sifat listrik yang berhubungan dengan rendahnya mobilitas pembawa muatan dari
material silikon ini. Mobilitas adalah parameter yang menyatakan laju dari
pembawa muatan dalam semikonduktor bila diberi medan listrik. Untuk membuat
piranti berkecepatan tinggi, galium arsenide (GaAs) dan material-material
panduannya telah dipertimbangkan sebagai material pengganti silikon. Selain
untuk divais elektron, material ini juga digunakan divais fotonik/laser dan
divais gelombang mikro (microwave device). GaAs adalah material semikonduktor
dari golongan III-V yang memiliki mobilitas elektron sekitar enam kali lebih
tinggi dari silikon pada suhu ruang. Material ini bertipe celah energi langsung.
Dengan memanfaatkan kelebihan ini, telah berhasil dibuat transistor yang
disebut high electron mobility transistor (HEMT), menyusul transistor yang
lebih dahulu popular untuk teknologi GaAs yaitu metal semiconductor field
effect transistors (MESFET). Struktur dari HEMT mirip dengan MOSFET, tapi
dengan menggunakan teknik modulasi doping, di mana elektron dapat dipisahkan
dari ion pengotornya dan bergerak dalam sumur potensial dua dimensi (2DEG)
dengan kecepatan tinggi. Pengembangan IC dengan berbasis material GaAs saat ini
juga sedang ramai diteliti. Beberapa tahun yang lalu telah berhasil dibuat 64
kb static random access memory (SRAM) yang berkecepatan tinggi sebesar 2ns
dengan menggunakan teknologi HEMT berukuran 0,6 mikron. Transistor berkecepatan
tinggi lainnya yang sedang dikembangkan adalah heterojunction bipolar
transistor (HBT). Struktur dari transistor ini adalah sambungan npn di mana
emiter menggunakan material dengan celah energi yang lebih besar dibandingkan
dengan base dan kolektor. Pada kondisi ini, diharapkan resistansi dari base dan
kapasitansi dari sambungan base-emitter akan dapat direduksi sehingga dapat
diperoleh frekuensi maksimum osilasi (fmaks) yang tinggi. Saat ini sudah dibuat
HBT dengan fmaks 200 GHz. Walaupun banyak kemajuan yang sudah dicapai, banyak
orang meragukan kemampuan teknologi GaAs ini untuk dapat bersaing dengan
teknologi silikon dalam orde 0,1 mikron atau yang lebih kecil. Itulah sebabnya,
banyak perusahaan semikonduktor terutama di Amerika Serikat yang tidak menganggap
teknologi GaAs ini sebagai pengganti silikon.
Divais
kuantum
Dewasa ini, perhatian besar juga diberikan pada
struktur semikonduktor berdimensi rendah (low-dimensional semiconductor)
seperti quantum well (2D), quantum wire (1D) dan quantum dot (0D). Struktur
seperti ini adalah pembuka jalan ke era fabrikasi nanoteknologi dan divais
kuantum (quantum device). Telah diketahui bahwa bila elektron dikurung dalam
daerah potensial dengan dimensi yang sama dengan panjang gelombangnya maka akan
muncul sifat gelombang elektron dan berbagai fenomena kuantum akan dapat
diamati. Beberapa fenomena kuantum dapat mengurangi performansi dari divais itu
sendiri sedangkan fenomena yang lain dapat memacu terciptanya divais kuantum
yang baru. Beberapa divais kuantum seperti wire-transistor, single-electron
transistor sudah berhasil dibuat dan menunjukkan kecepatan yang tinggi.
Permasalahan yang timbul dari divais yang dibuat berdasarkan struktur
semikonduktor dimensi rendah ini adalah arus drive yang rendah sehingga masih sulit
untuk diaplikasikan. Secara umum, permasalahan yang dihadapi divais kuantum ini
adalah operasi kerjanya yang masih harus dilakukan pada suhu rendah (seperti
suhu helium cair : 4,2K) agar dapat diamati fenomena kuantum secara jelas. Hal
ini tentunya akan menaikkan ongkos pembuatan sehingga belum menarik untuk
diproduksi.
·
Intelligent material
Dari uraian di atas terlihat bahwa meskipun
perkembangan divais semikonduktor dewasa ini sangat cepat, beberapa hambatan
sudah mulai terlihat. Pertanyaan yang muncul adalah apakah usaha-usaha untuk
memperbaiki performasi dari divais semikonduktor dapat terus dilakukan dengan
pola yang ada sekarang ini atau harus dicari pola yang lain. Pola yang ada
sekarang adalah bahwa dalam teknologi IC, transistor sebagai divais aktif dasar
hanya mempunyai satu fungsi saja dan kemudian diubah menjadi berfungsi banyak
dengan bantuan disain sirkuit dan software. Dengan berkembangnya permintaan
untuk menciptakan suatu rangkaian terpadu yang makin kompleks, beban yang
ditanggung oleh disain software akan makin berat sehingga kemungkinan besar
sulit untuk direalisasikan. Untuk itu, dari pihak hardware, haruslah dilakukan
usaha untuk dapat membantu meringankan beban tersebut. Salah satu usul adalah
menciptakan divais yang multifungsi sehingga divais menjadi lebih adaptif.
Divais seperti ini dapat direalisasikan dengan menggunakan apa yang disebut
sebagai intelligent material. IC yang terbuat dari divais yang adaptif seperti
ini akan menjadi bermultifungsi tanpa harus membebani disain software yang
makin kompleks.
.
Langganan:
Postingan (Atom)